第十四章 基因的表达与调控

乳糖操纵元的正调控
乳糖操纵元的表达调控实际上是正调控和 负调控协同作用的。
Lac repressor, CRP and Lac operon
乳糖操纵子的双调控系统
(1)受乳糖与阻遏蛋白监控的、可诱导的负 调控系统; (2)受cAMP与CAP调节的、可诱导的正调控 系统。葡萄糖通过调节cAMP的合成间接监 控这一过程。
正调控系统中的调节蛋白称为诱导蛋白 （inducer）。 诱导蛋白与基因启动子DNA序列结合，激 活基因启动转录。
负调控（negative regulation）
在调节蛋白不与启动子（顺式调控元件）结合时，基因 是表达的；当调节蛋白与启动子结合时，基因的表达被 关闭，这样的调控机制称为负调控。
βS
mRNA 密码子
氨基酸 DNA
GUA
val
AAA TTT
AAA lys
βC
mRNA 密码子 氨基酸
豌豆株高
高茎豌豆（T T）× 矮茎豌豆（t t） ↓ F1为高（Tt）
高茎豌豆中有赤霉素，而矮茎豌豆中没有。 赤霉素能促进细胞伸长，表现为高茎。 赤霉素的合成需要一种酶 T基因就编码合成赤霉素的酶 等位基因t的核苷酸序列与 T不同，不能编码 合成赤霉素所需要的那种酶。
第14章 基因表达的调控 Regulation of Gene Expression
基因的概念 原核生物基因表达的调控 真核生物基因表达的调控
基因 gene
基因是遗传信息的功能单位。
基因表达就是将基因所携带的遗传信息 释放出来指导生物体性状表达的过程。
基因表达的过程是十分复杂的，具有不 同的形式和精确的调控。
乳 糖 操 纵 元 的 组 成 型 突 变
乳糖操纵元不同基因型在有无乳糖存在时的表现型
组别 基因型 I+O+Z+ A I+O+ZIO Z
+ + ＋ C +
β －半乳糖苷酶活性 有乳糖 + + ; + -
IO Z B C D
+ +
I-O+Z+/F’I+ I O Z /F’O I O Z /F’I I OZ
经典遗传学关于基因的概念
3、基因以整体进行突变，是突变的最小单位。
4、基因在交换中不再被分割，是重组的最小 单位。
经典遗传学关于基因的概念
• 5、基因能自我复制，在有机体内通过有 丝分裂有规律地传递，在上下代之间能 通过减数分裂和受精作用有规律地传递。

突变单位 交换单位
结构单位
基因既是一个结构单位，又是一个功能单位。 倒底基因是什么物质构成的，基因的本质是 什么，经典遗传学无法回答这个问题。
乳 糖 操 纵 元 的 负 调 控
乳 糖 操 纵 元 的 负 调 控
• ATP在腺苷酸环
化酶的作用下转 变成环式
AMP(cyclic adenosine monophosphate, cAMP)。
Cyclic AMP
The adenyl cyclase-catalyzed synthesis of cyclic AMP (cAMP) from ATP
原核生物启动子由两个元件组成
1、－10序列（Pribnow box） 转 录 起 始 点 上 游 － 1 0 位 臵 ， consensus sequence是TATAPuATG 2、－35序列（Sextama box） RNA 聚 合 酶 所 覆 盖 的 区 域 ， 共 有 序 列 是 TTGACA，位于－35位臵。 是RNA聚合酶对转录模板的初始识别位点， 决定启动子的强度。 3、－10区和－35区间的距离 两个元件之间的距离却至关重要;相距17bp 时，转录效率最高。
正调控和负调控
调节蛋白状态 激活蛋白结合 激活蛋白不结合 阻遏蛋白结合 阻遏蛋白不结合
靶基因转录状态 ON （正调控） OFF OFF （负调控） ON
控制调节蛋白的合成？控制调节蛋白的活性？
正调控（positive regulation）
如果调节蛋白不与启动子DNA序列（顺式调控元件）结 合时，基因是关闭的，当调节蛋白与启动子结合时基 因开始表达，这种调控系统称为正调控。
顺式调控元件和反式作用因子
在基因转录水平上的调控都是特定的蛋白质 分子和特定的DNA序列相互作用的结果。
起调控作用的DNA序列称为顺式调控元件。
与这些DNA序列相互作用的蛋白质称为反式 作用因子。
反式作用因子也是基因产物。
所以，基因表达调控是非等位基因 之间相互作用的结果。
启动子和终止子
§1 基因的概念
基因的概念是不断发展的。
Mendel 遗传因子 inherited factor
1909 丹麦人Johnson 用gene取代了 Mendel的inherited factor，一直应用至 今。
经典遗传学关于基因的概念
1、基因是不连续的颗粒状因子，在Chr上有固 定的位置，呈直线排列，具有相对的稳定性。 2、基因作为一个功能单位控制性状的表达。
共同点： 基因是遗传功能的最小单位
基因概念的进一步发展
结构基因（structural gene）： 编码多肽链或RNA分子的基因 调控基因（regulator gene）： 参与调控结构基因表达的基因，
包括控制结构基因转录起始和产物合成速率的基因， 能影响其他基因活性的一类基因。
重叠基因（overlapping gene）： 同一个DNA序列可以参与编码两个以上 的RNA或多肽链。 不连续基因（split gene）： 在真核生物中，一个基因的编码序列 （exon）是不连续的，被若干个非编码 序列（intron）分割，这类结构断裂的 基因称为不连续基因，又称断裂基因 （interrupted gene）。
②重组单位（重组子recon）：
可交换的最小单位。最小的重组单位也可以只是一个bp。
③功能单位（顺反子 cistron，又叫作用子）：
基因中指导一条多肽链的合成 DNA序列，平均大小约为 5001500bp。
顺反子与经典概念的功能单位相当， 是遗传信息的最小功能单位。
现代概念与经典概念的比较
基因是功能单位，不是结构单位 一个基因内包含了大量的突变单位和重 组单位
一个基因 →一个mRNA →一条多肽链
人类镰刀形红血球贫血症
每个血红蛋白分子有四条多肽链： 两条相同的α链，141aa 两条相同的β链，146aa 正常的血红蛋白HbA编码正常的βA链。正常的 红血球是球形的。 当HbA突变为Hbc 编码多肽链βC Hbs βS 使红血球呈镰刀形，引起贫血病。
一个基因 → 一个mRNA → 一条多肽链 仍然显得太简单。 基因不仅可以作为mRNA转录的模板，也可以 作为rRNA和tRNA转录的模板。 有些基因只对其它基因的作用进行调控。 多肽链的合成与停止更主要的是受制于基因 作用的调控系统。
A model for the multistep production of colon cancer Villi茸毛 benign良性的 adenoma腺瘤 epithelium上皮 Proliferate增生扩散
§2
原核生物基因表达的调控
一个个体的各类细胞都是按照一定的规 律和一定的时空顺序，关闭一些基因， 开启另一些基因，并不断地进行严格的 调控，以保证个体的发育得以顺利进行。
决定哪些基因表达、哪些基因不表达、 表达速率的过程就是基因表达的调控。
一、转录水平的调控
单细胞的原核生物对环境条件具有高度 的适应性，可以迅速调节各种基因的表 达水平，以适应不断变化的环境条件。
原核生物主要是在转录水平上调控基因 的表达。 当需要某种基因产物时，就大量合成这 种mRNA，当不需要这种基因产物时就抑 制这种mRNA的转录，就是让相应的基因 不表达。
通常所说的基因不表达，并不是说这个 基因就完全不转录为mRNA，而是转录的 水平很低，维持在一个基础水平（本底 水平）。 基因表达完全关闭的情况使极为少见的。
分子遗传学关于基因的概念
1、一个基因就是DNA分子上的一段序列 2、每一个基因都携带有特殊的遗传信息， 这些遗传信息： mRNA 多肽链； rRNA或tRNA； 对其他基因的活动起调控作用。
3、基因在结构上还可以划分为若干个小单位。 ①突变单位（突变子 muton）：
发生突变的最小单位。最小的突变子是一个bp。
跳跃基因（jumping gene）：可以在基 因组内移动位置的基因。 假基因（pseudogene）：不产生有功能 产物的基因。
基因的作用与性状的表达
在生物体内，大部分遗传性状都是直接 或间接通过蛋白质表现出来的。 DNA → RNA → protein
一个基因 → 一种酶 → 一个生化反应
单顺反子和多顺反子
在原核生物中，当几种酶参与同一个代 谢途径时，往往编码这几个酶的基因同 时被转录为一个mRNA，称为多顺反子 mRNA。 而真核生物基因都是转录成单顺反子 mRNA的。
原核生物中基因的组织形式
几个作用相关的基因在染色体上串连排列 在一起，由同一个调控系统来控制。 这样的一个整体称为一个操纵元(operon)。
以此保证大肠杆菌灵活、经济、有效地适应 外界环境，只有在必需的时候（只有乳糖， 没有葡萄糖）才启动乳糖操纵子的表达。
乳糖操纵元模型的三个基本假定
1、调节基因编码的阻遏蛋白是可以在细胞中 扩散的反式调控因子； 2、操纵子（o）是调控序列，不编码蛋白质； 3、操纵子（o）是顺式调控元件，邻近受其控 制的结构基因。
© 2003 John Wiley and Sons Publishers
cAmp-CAP
Catabolite activating protein, CAP 代谢激活蛋白，是cAmp的受体蛋白 (cyclic Amp receptor protein, CRP) cAmp-CAP复合物，是lac操纵元的 正调控因子